夸克禁闭和渐近自由
神奇的现代物理(快板书)
丁亦兵
引子：最近我们翻译了诺贝尔物理奖得主维尔切克的一本高级科普 名著，书名为《奇妙的现实》，不久即可面世。颇为罕见的是，书中收 录了这位现代物理学大家的六首诗，用简洁的诗的语言形式介绍现代物 理知识和从事物理研究工作的体会，读起来别有一番情趣。其中有一首 叫做“Gloun Rap”译为“说唱胶子”①，很短但很风趣。这首诗以简短的几行，用说唱的形式把胶子的特 点及它们起的作用描述了出来，很有点意思。
Gromia sphaerica）同样可以产生化石痕迹。而科学 界长期以来一直认为，只有左右均匀对称的多细胞 动物才可能留下这种化石痕迹。
如果马兹是正确的，那么寒武纪生物大爆发之 前就已经出现多细胞生命形式了。寒武纪生物大爆 发指的是距今约 5.5 亿年之前的一个生物快速进化 和多样化的时期。
（高凌云编译自《欧洲核子研究中心快报》2009 年第 2 期）
（中国科学院研究生院 100049）
本文获“我心目中的现代物理”征文二等奖 ①胶子是传递强相互作用的媒介粒子，在量子色动力学中 起着关键作用。它们在带三种不同颜色的夸克之间起到了胶合的 作用，因此共有八种带有两种颜色的胶子。靠着它们，三个夸克结 合成了物质世界的最基本的组分——中子和质子。多彩多姿的物质 世界就是由这些质子和中子以及电子一起通过光子传递的电磁力 以各种形式构成的。胶子的行为非常诡异，它是一个复杂的色规范 场的量子，满足一组非线性方程。所谓的夸克禁闭和渐进自由都和 胶子的行为有关。下面引用了这段小诗，以供有兴趣地读者欣赏。
JJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJ
远古巨型变形虫
痕迹化石是古生物留下的 遗迹，对推测动物出现的时间非 常重要。美国德克萨斯大学奥斯汀分校（University of Texas at Austin）的马兹（Mikhail Matz）和同事 观察到生活于海底、宽达 3 厘米的巨型单细胞有壳 变形虫，在海底移动时会留下凹槽似的痕迹。他们 因此提出，20 亿年前的远古巨大变形虫（拉丁名为
夸克胶子物质中的夸克—夸克—反夸克和夸克—反夸克—反夸克弹性解读
上海大学硕士学位论文夸克胶子物质中的夸克—夸克—反夸克和夸克—反夸克—反夸克弹性散射姓名：马成程申请学位级别：硕士专业：凝聚态物理指导教师：许晓明20070401上海大学硕士学位论文摘要为了解释ＲＨＩＣ的Ａｕ＋Ａｕ核碰撞中椭圆流系数”：的测量值，理想流体力学模型假设：碰撞产物（夸克胶子物质）建立了相当大的早期压力并且在碰撞后小于ｌｆｍ／ｃ的极短时间内达到了（局域）热平衡。
此即早期热平衡化现象或快速热平衡化现象。
研究夸克胶予物质的这种早期热平衡化现象对于认识夸克胶子等离子体（ＱＧＰ）及其演化有着非常重要的意义。
科学家们用２．＋２和２—３的部分子散射机制给出大于ｌｆｍ／ｃ的热平衡化时间，因此不能解释早期热平衡化现象。
最近在我的导师许晓明的文章中，作者提出的三胶子弹性散射机制成功地将胶子物质热平衡化时间减少到０．４５ｆｍ／ｃ。
但从二夸克和三夸克弹性散射得到的夸克物质的热平衡化时间是２．２ｆｍ／ｃ，不能给出夸克物质的早期热平衡化结果。
到目前为止，对于夸克物质的早期热平衡化现象的动力学机制还不清楚，是必须探讨的问题。
作为高能量，高密度的凝聚态物质，夸克胶子物质内除了夸克物质和胶子物质，还包含反夸克物质。
反夸克物质通过夸克一反夸克、夸克一夸克一反夸克、夸克一反夸克一反夸克的弹性散射会对夸克物质的热平衡化产生一定影响。
因此，除了夸克一反夸克弹性散射外我们提出以夸克一夸克一反夸克和夸克一反夸克一反夸克的弹性散射过程来研究反夸克物质对夸克物质快速热平衡化的贡献。
考虑最低阶的ｑ丽一嘶散射过程的３８个散射费曼图。
根据在散射过程中分别包含两胶子交换和三胶子顶点，把这３８个散射费曼图分成两类，前者有３２个图，后者有６个图。
依据微扰ＱＣＤ的费曼图规则，从夸克和反夸克的旋量、顶点因子、胶子和夸克传播子写出以上各图的跃迁振幅。
编制Ｆｏｒｔｒａｎ程序，推导３８个费曼图的振幅平方及不同图之间的１００４个不为零的干涉项的公式。
对末态夸克反夸克自旋和色求和．对初态夸克反夸克自旋和色求平均的振幅平方和干涉项包括夸克，胶子传播子和色ＳＵ（３）群生成元乘积的迹和大量的ｙ矩阵乘积的迹。
量子色动力学
量子色动力学维基百科，自由的百科全书量子色动力学（英语：Quantum Chromodynamics，简称QCD）是一个描述夸克胶子之间强相互作用的标准动力学理论，它是粒子物理标准模型的一个基本组成部分。
夸克是构成重子（质子、中子等）以及介子（π、K等）的基本单元，而胶子则传递夸克之间的相互作用，使它们相互结合，形成各种核子和介子，或者使它们相互分离，发生衰变等。
量子色动力学是规范场论的一个成功运用，它所对应的规范群是非阿贝尔的群，群量子数被称为“颜色”或者“色荷”。
每一种夸克有三种颜色，对应着群的基本表示。
胶子是作用力的传播者，有八种，对应着群的伴随表示。
这个理论的动力学完全由它的规范对称群决定。
目录[隐藏]▪ 1 历史▪ 2 理论▪ 3 微扰量子色动力学▪ 4 非微扰量子色动力学▪ 5 参考文献▪ 6 外部链接[编辑]历史静态夸克模型建立之后，在重子质量谱和重子磁矩方面取得了巨大成功。
但是，某些由一种夸克组成的粒子的存在，如等，与物理学的基本假设广义泡利原理矛盾。
为解决这个问题，物理学家引入了颜色自由度，并且颜色最少有3种。
这个时候颜色还只是引入的某种量子数，并没有被认为是动力学自由度。
静态夸克模型建立之后，经历了十年左右的各种实验，都没有发现分数电荷的自旋的夸克存在，物理学家被迫接受了夸克是禁闭在强子内部的现实。
然而，美国的斯坦福直线加速器中心SLAC在七十年代初进行了一系列的轻强子深度非弹性散射实验，发现强子的结构函数具有比约肯无标度性(Bjorken Scaling)。
为解释这个令人惊奇的结果，费曼由此提出了部分子模型，假设强子是由一簇自由的没有相互作用的部分子组成的，就可以自然的解释比约肯无标度性(Bjorken Scaling)。
更细致的研究确认了部分子的自旋为，并且具有分数电荷。
部分子模型和静态夸克模型都取得了巨大成功，但是两个模型对强子结构的描述有严重的冲突，具体来讲就是夸克禁闭与部分子无相互作用之间的冲突。
物理学的发展
物理学发展和科技革命BZ07004007 庞锦毅摘要本文试图从讨论物理学发展的脉络来研究科技革命的过程。
众所周知，物理学是认识世界的学科。
她是如何描述世界的？她能将我们的世界解析到何种程度？文章第一章会给出经典物理学框架下，物理学是如何发展并一步步揭示世界本质以及她在解释世界的过程中遇到了哪些困难。
第二章会叙述近代物理学一次重要的变革以及阐明物理学是如何通过自我修正重新准确揭示世界本质的过程。
第三章会给出近代物理学发展的脉络及其遇到的困难。
关键字：分析力学，自由度，动力学轨迹，统计，相对论，量子理论第一章经典物理学很多物理学史学者对于在最近的那次物理学变革来临之前的物理学史倾向于这样一种观点：经典物理学的大厦已经构建完成，剩下的任务只是将一些基本常数测量的更加精确。
个人认为这种观点不但不严谨，甚至是谬误的。
众所周知，物理学的终极目标是描述世界。
而我们的世界从还原论的角度说，是一个多体系统。
仅仅完善基本单元的动力学是远远不够的。
经典物理的分析力学只能完全求解单自由度的系统的动力学。
一旦超出单自由度情形，看似无所不能的分析力学实际上就变得捉襟见肘了。
众所周知的困难就是从两体问题到三体问题的障碍。
两体问题由于空间平移对称性和空间转动对称性的缘故，原本的六自由度系统最终能够约化为单自由度问题而得以求解。
然而拥有九自由度的三体问题即使经过对称性约化，也还剩余四个自由度。
当然，这并不是说分析力学无法分析这些多自由度问题。
欧拉-拉格朗日方程能够给出系统自由度的演化方程，但是对于大量的非线性系统我们由于最终无法解耦这些微分方程而不能给出清晰的相空间动力学轨迹。
从某种意义上讲，我们对于我们的世界仍旧知之甚少，即使在那个经典物理学如日中天的年代。
随着数值计算的发展，优美的解析物理学开始向数学妥协：既然无法解析求解普遍的动力学轨迹，我们便给出一个具体的动力学轨迹数值解。
实际上，随着自由度的增加，这种妥协也开始崩溃。
大量自由度与非线性的结合导致了混沌的出现。
世界科学技术史物质的基本结构与统一场论(1)
▪ 4.粒子对撞机
▪ 北京正负电子对撞机(BEPC):1988年，5.6吉 电子伏特,周长240米
▪ 西欧核子研究中心正负电子对撞机 (LEP):1998年，100吉电子伏特,周长27公里
▪ 美国超导超级对撞机(SSC):周长87.5公里， 耗资80亿美圆
四、微观时空：翻腾的“量子泡 沫”
▪ 3.并不存在宇宙的终极理论；事件在一定程 度之外不可能被预言，仅仅是以一种紊乱 或 任意的方式发生。思源自题▪ 什么是“夸克禁闭”?
三色：红（R）、绿（G）、蓝（B）三色
▪ 4.夸克禁闭：物质内部不能分离出自由夸克 的现象
打出一个π介子
▪ 5.“渐进自由”：夸克越相互接近、其相互作 用力越减小的现象
▪ 6.轻子家族：电子、μ子、τ子及其各自的中 微子
泡利：中微子
▪ 厄普代克:“宇宙的烦恼”：
▪ 中微子多么微小 没质量微不足道 没有电荷 对谁也不干扰。 地球是个傻大个 驰骋穿过自逍遥
五、超弦理论：宇宙万有理论 （T.O.E）
▪ 宇宙的终极构成不是简单、无维的数学点， 而是在单维内展开的无穷、细小的弦，宇宙 中的一切粒子和力都是弦的振动.
六、宇宙终极理论之争
▪ 1.确实存在一个完整的统一理论，如果我们 足够聪明的话，总有一天将会找到它。
▪ 2.并不存在宇宙的最终理论，仅仅存在一个 越来越精确地描述宇宙的无限的理论 序列。
一、物质的基本结构：夸克和轻 子
1.中子与反电子的发现
查德威克：中子 狄拉克：预言反电子
2.夸克的发现
肯德尔、弗里德曼与泰勒：用电子轰击质子 盖尔曼：Three quarks for master mark
▪ 3.夸克的“味”和“色”
六味：上(u)、下(d)；奇异(s)、粲(c)；顶(t)、底 (b)
夸克禁闭原理
夸克禁闭原理
夸克禁闭原理（Quark Confinement Principle）是指夸克在强相互作用下无法单独存在，而只能以组合的方式形成稳定的粒子。
这个原理是量子色动力学（Quantum Chromodynamics，简称QCD）的基本原理之一。
根据夸克禁闭原理，夸克无法被单独观测到，因为它们被强相互作用束缚在强子中，如质子和中子等。
夸克之间的相互作用通过交换胶子（gluon）来传递，这种相互作用被称为量子色动力学。
夸克禁闭原理的实质是由于强子之间的强相互作用非常强大，当夸克试图从一个强子中分离出来时，随着距离的增加，能量也会增加。
这种能量的增加会导致产生新的夸克-反夸克对，使得夸克无法单独存在。
夸克禁闭原理的重要性在于解释了为什么我们无法直接观测到自由的夸克，以及为什么只能观测到强子，如质子和中子等。
这个原理对于理解强子的性质和强相互作用的本质具有重要意义，并在粒子物理学中发挥着重要的作用。
夸克禁闭理论
夸克禁闭理论
夸克禁闭理论是一种重要的物理理论，它描述了普通物质的基本结构。
早在20世纪50年代，物理学家阿尔弗雷德爱因斯坦就提出了阿尔弗雷德爱因斯坦的夸克理论，但这一理论只能解释宇宙中的大质子，而不能解释宇宙中较小的部分，如中子和夸克等。
随后，英国物理学家阿兰费米和美国物理学家艾伦爱登提出了夸克禁闭理论，以解释普通物质的基本结构。
他们认为，宇宙中的每一个原子都由3个夸克组成：上弦夸克、下弦夸克和中子。
当夸克和中子之间结成稳定的原子结构时，这个原子就处于禁闭状态，因此这种理论也被称为夸克禁闭理论。
夸克禁闭理论提供了描述普通物质结构的精确方法。
据它所描述的，原子由电子和夸克（又称微粒）组成，而夸克又由质子、中子和极小的质量粒子组成。
夸克之间的相互作用产生了原子的稳定性和原子的特殊性质，这是普通物质结构的基础。
夸克禁闭理论不仅为科学家们提供了一些重要的研究见解，而且也为一些关键的技术的发展奠定了基础，比如核能开发、电视和无线电、电脑、核武器研究、人造卫星等。
夸克禁闭理论也为研究宇宙和宇宙中发生的物理过程提供了一个基础，它揭示了宇宙中普通物质的结构特征，同时也提供了一些有关宇宙形成的见解。
总之，夸克禁闭理论是一项重要的物理理论，它描述了普通物质的基本结构，而这一结构则决定了物质的性质。
夸克禁闭理论不仅提供了宇宙形成的解释，也为科学发展和技术进步奠定了基础，在宇宙
研究中起着重要作用。
认识了解夸克
认识了解夸克•夸克夸克（英语：quark，又译“层子”）是一种基本粒子，也是构成物质的基本单元。
夸克互相结合，形成一种复合粒子，叫强子，强子中最稳定的是质子和中子，它们是构成原子核的单元。
由于一种叫“夸克禁闭”的现象，夸克不能够直接被观测到，或是被分离出来；只能够在强子里面找到夸克。
就是因为这个原因，我们对夸克的所知大都是来自对强子的观测。
所有的中子都是由三个夸克组成的，反中子则是由三个相应的反夸克组成的，比如质子，中子。
质子由两个上夸克和一个下夸克组成，中子是由两个下夸克和一个上夸克组成。
我们知道夸克有六种，夸克的种类被称为“味”，它们是上、下、粲、奇、底及顶。
上及下夸克的质量是所有夸克中最低的。
较重的夸克会通过一个叫粒子衰变的过程，来迅速地变成上或下夸克。
粒子衰变是一个从高质量态变成低质量态的过程。
就是因为这个原因，上及下夸克一般来说很稳定，所以它们在宇宙中很常见，而奇、粲、顶及底则只能经由高能粒子的碰撞产生（例如宇宙射线及粒子加速器）。
夸克有着多种不同的内在特性，包括电荷、色荷、自旋及质量等。
在标准模型中，夸克是唯一一种能经受全部四种基本相互作用的基本粒子，基本相互作用有时会被称为“基本力”（电磁、引力、强相互作用及弱相互作用）。
夸克同时是现时已知唯一一种基本电荷非整数的粒子。
夸克每一种味都有一种对应的反粒子，叫反夸克，它跟夸克的不同之处，只在于它的一些特性跟夸克大小一样但正负不同。
（一个质子和一个反质子在高能下碰撞，产生了一对几乎自由的夸克。
）1964年，美国物理学家默里·盖尔曼和G.茨威格各自独立提出了中子、质子这一类强子是由更基本的单元——Quark组成的。
它们具有分数电荷，是基本电量的2/3或-1/3倍，自旋为1/2。
遵循“渐近自由”原理。
[1]其空间尺度是微观粒子中最小的，大约小于10的-19次方。
夸克模型分别由默里·盖尔曼与乔治·茨威格于1964年独立地提出。
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➢ 夸克禁闭 ➢ 渐近自由
夸克禁闭和渐近自由
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内容
一. 夸克模型和三代夸克 二. 渐近自由--量子色动力学理论 三. 渐近自由的实验验证 四. 夸克禁闭难题 五. 展望
夸克禁闭和渐近自由
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一. 夸克模型和三代夸克
六十年代 发现了大量强子态， 1960 反Σ粒子发现, 王淦昌等。 1961 SU(3) 八重态方案，对称性分类。 Neeman,Gell-Mann 1964 Ω-发现 1964年 Gell-Mann提出Quark model。
1965-66 层子模型(相对论性)。
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s
K0(ds)
K+(us)
s
K*0
K*+
-(u d) 0
+(ud) I3
-
0
+ I3
K-(su)
K0(sd)
自旋为0
0 = uu-dd
△- △0
△+ △++
2
K*-
K*0
自旋为1
s
(ddd) (udd) (uud) (uuu)
B-factorySuper-B factory(Japan)
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电荷 +2/3 -1/3
0 -1
“基本” 粒子
从轻到重
uc
t
d
s
b
e
e
夸克 ( q ) 轻子 ( l )
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➢ mu=1.5-4.5 MeV ➢ md=5-8.5 MeV ➢ ms=80-155 MeV ➢ mc=1.0-1.4 GeV ➢ mb=4.0-4.5 GeV ➢ mt=174GeV
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➢ 实验上的Scaling现象告诉我们，如果电子－质 子的非弹散射是由于电子与质子内部的许多类 点成分发生不相干的弹性散射所引起的，那么 Scaling现象就自然发生。人们将这些类点组成 分称为部分子(Parton)。
➢ 这样，电子和质子内的点Parton相互作用发生 弹性散射就成为电子－质子深度非弹散射的基 本过程。
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美《科学》杂志评出08年十大科学进展
➢ 在对细胞重新编程“定制”细胞系方面，开启了一个生物学 研究新领域。
➢ 第一次直接观测到了太阳系外围绕其他恒星运转的行星。
➢ 癌症基因名单扩充。
➢ 发现了一类全新的以铁化合物为基础的高温超导材料 。
➢ 看”到了蛋白质如何与目标结合，然后转换细胞的代谢状 态，起到促成某一组织特性的作用。
➢ 发现了一种有应前景的新工具，能够把风能、太阳能发电 等所产生的过剩电能进行规模化存储，迈向可再生能源。
➢ 胚胎视频：研究人员对发育中的胚胎内部细胞进行了史无 前例的细致观察。
➢ 研究发现“好脂肪”工作过程，他们可以将“好脂肪”转变为 肌肉，反之亦然。
➢ 计算物质世界的重量：物理学家最新的计算数据表明，标 准模型非常准确地预测了质子和中子的质量。
n(udd)
p(uud)
*-
0
*+
(dds) *(dss)
(uds) (uus) *0 (uss)
-(dds)
0 (uds) + (uus)
0
I3
- (sss)
质量公式预言 m- 1670 MeV 实验 m- 1672夸.克4禁5闭和渐0近.自2由9 MeV
-(dss)
0(uss)
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➢ 1977年发现了b夸克，1995年发现了t夸克。
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三代费米子
夸 克
uc ds
t轻 子
b
e e
一直到1995年，费米实验室发现顶夸克 总共发现了三代夸克、三代轻子(48)。 在它们之间传递相互作用的是规范玻色子(12)
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九十年代末美国和日本化巨资建造了B介子工 厂就是为了寻找在B介子中CP不守恒现象。此后几 年来两个B介子工厂的实验(美国的BaBar和日本的 Belle)证实了他们提出的CKM矩阵（KM是 Kobayashi-Maskawa的缩写，C是意大利科学家 Nicola Cabibbo的代称）。
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物质结构的层次
原子→原子核物理→粒子物理(高能物 理)
粒子物理就是研究物质结构的最小组成成份 (夸克、轻子)及其基本相互作用(电磁、弱、 强相互作用)规律的科学。
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ห้องสมุดไป่ตู้.渐近自由--量子色动力学理论 (Quantum Chromodynamics (QCD))
➢ 色自由度引入 1972 color Gell-Mann 1964 Greenberg 1965-66 层子模型
Para统计
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2 - 5 GeV 强子 R 值测 量
4040
3770
4160 4415
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R/R(%)
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线性势+库仑势
线性势夸克禁闭
Kr r
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➢ 1973年Kobayashi-Maskawa在日本学术刊物”理论 物理进展”（Progress of Theoretical Physics）发 文指出如果自然界中还存在（至少）第三代夸克 (顶夸克t和底夸克b )，微观粒子系统中的CP破坏现 象就可以得到解释。从而预言了底夸克b和顶夸克t 的存在并为实验所证实。他们还认识到B介子(包含 b夸克的介子)有可能是研究CP对称性破坏的最理想 的场所。发现对称性破缺的来源并预言了自然界至 少存在三代夸克。
BES前:
15-20
BES(total):
6.6
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1967-1968 深度非弹中的 scaling渐近自由。
Friedman,Kendall,Taylor 1990 Nobel Prize Quark-parton model Feynman, Bjorken, …
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➢ 更快、更廉价的基因夸克组禁闭测和渐近序自由
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2008年度诺贝尔物理学奖
南部阳一郎(1921年生)
小林诚(1944年生)
夸克禁闭和渐近自由
益川敏英(1940年生)
夸克禁闭和渐近自由
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深层次物质结构两大特点
量子色动力学理论—强相互作用基本理论。夸克 和胶子及其相互作用的理论